周蕓 房少軍 劉宏梅 王鐘葆

關(guān)鍵詞： 液態(tài)金屬; 螺旋天線; 頻率重構(gòu); GNSS天線; 高增益; 易保密

中圖分類號： TN82?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）05?0023?04

Simulation design of a frequency?reconfigurable liquid metal conical helical antenna

ZHOU Yun1， 2， FANG Shaojun1， LIU Hongmei1， WANG Zhongbao1

（1. College of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China;

2. School of Physics and Electronic Technology， Liaoning Normal University， Dalian 116021， China）

Abstract： A frequency?reconfigurable liquid metal conical helical antenna is proposed to design the multi?band GNSS antenna with small size， high gain， reconfigurable characteristic and easy secrecy. The antenna can be used in satellite navigation systems such as GPS， GLONASS， BDS?2B1 and BDS?1S. The HFSS software is used to design and simulate the antenna， and its optimization function is adopted to match the impedance of the antenna， so the perfect circularly polarized radiation and impedance characteristics of the antenna are obtained. The simulation results show that the gain is greater than 3 dB and the axial ratio is less than 3 dB of the antenna in the designed two frequency bands， and the proposed frequency?reconfigurable liquid metal conical helical antenna has wide application range.

Keywords： liquid metal; helical antenna; frequency reconfiguration; GNSS antenna; high gain; easy secrecy

0 ?引 ?言

衛(wèi)星通信是利用衛(wèi)星作為中繼來實(shí)現(xiàn)地面終端站、載體移動(dòng)站以及便攜終端之間相互通信，逐漸以一種全新的方式改變著人類的生產(chǎn)和生活。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的迅猛發(fā)展，尤其是近年來我國的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的蓬勃興起，GNSS天線的研究也越來越受到關(guān)注[1?3]。目前的問題是，大多數(shù)的天線只能覆蓋單一的頻帶，或工作在某一個(gè)系統(tǒng)，效率低，因此多頻帶GNSS天線具有非常廣闊的應(yīng)用空間。另一方面，無論軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，在保密通信、對抗干擾等方面的要求越來越高，理想中的頻率可重構(gòu)天線可以通過機(jī)械配合，具備動(dòng)態(tài)改變其工作頻率的特性。研究這類具備頻率可重構(gòu)特性的天線具有十分重要的實(shí)際意義。

液態(tài)金屬鎵銦合金（Eutectic Gallium?Indium，EGaIn）于2009年應(yīng)用到天線的設(shè)計(jì)領(lǐng)域[4?8]。EGaIn熔點(diǎn)低，常溫下呈現(xiàn)液態(tài)。利用液態(tài)金屬的液態(tài)屬性和自我修復(fù)能力，也將其運(yùn)用到可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)中。

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，螺旋天線成為電話、電視和數(shù)據(jù)空間通信的重要工具，同時(shí)為衛(wèi)星和地面站所采用。由于螺旋天線具有圓極化、高增益及簡單性等特性，它們被廣泛地單獨(dú)使用或組陣。錐形螺旋天線是柱形螺旋天線的一種變形，除了擁有傳統(tǒng)螺旋天線高增益、寬頻帶的優(yōu)勢外，還具有抑制旁瓣的特點(diǎn)。因此，利用液態(tài)金屬設(shè)計(jì)錐形螺旋天線對于頻率可重構(gòu)的多頻帶GNSS天線具有重要意義。

本文提出一種新型頻率可重構(gòu)的液態(tài)金屬螺旋天線，這種螺旋天線適用于GNSS系統(tǒng)，包括GPS，GLONASS，BDS?2B1，BDS?1S。通過機(jī)械輔助泵抽取的方式實(shí)現(xiàn)頻率的重構(gòu)，即有“隱身”的功能，具備一定的保密特性。采用HFSS軟件對天線進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，并通過軟件優(yōu)化功能對螺旋天線進(jìn)行阻抗匹配。

1 ?理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 ?理論分析

GNSS中的主要頻段和輻射模式如表1所示?？梢钥闯鯣PS L1，GLONASS L1和BDS?2B1的頻段非常接近。本文提出的螺旋天線具備頻率可重構(gòu)的特性，設(shè)計(jì)兩個(gè)頻段，覆蓋BDS?1S和GPS L1兩個(gè)頻段，實(shí)現(xiàn)GPS L1，GLONASS L1，BDS?2B1和BDS?1S系統(tǒng)內(nèi)相互合作。

1.2 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用兩個(gè)錐形螺旋天線共享一段導(dǎo)體帶條匹配的模式。兩個(gè)螺旋天線A，B分別設(shè)計(jì)其中心頻率為1 600 MHz和2 492 MHz。聚四氟乙烯具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力，已被用于可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)[9]。螺旋天線采用外部管狀聚四氟乙烯包裹液態(tài)金屬EGaIn。選定聚四氟乙烯的相對介電常數(shù)為[εr≈2.55]。其外徑與內(nèi)徑分別為6 mm和4 mm。所設(shè)計(jì)的可重構(gòu)螺旋天線結(jié)合了聚四氟乙烯的高潤滑不粘性和EGaIn的流動(dòng)性，采用泵抽取的方式，兩個(gè)聚四氟乙烯螺旋管分別充滿液態(tài)金屬，使得天線具備可重構(gòu)的特性。

錐形螺旋天線的參數(shù)方程為[10]：

[x=R+R-R2πNtcos ty=R+R-R2πNtsin tz=Rtanα0+（α1-α0）t2πNπ180t]

式中：[R]和[R]分別為錐形螺旋天線的頂面半徑和底面半徑;[α0]為起始升角;[α1]為終止升角;[N]為螺旋圈數(shù)。參數(shù)[t]定義為螺旋管環(huán)繞過程的弧度變化，其取值范圍在（0，[2πN]）。

1.3 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的螺旋天線，為了降低剖面且保證指標(biāo)，采用截?cái)嗍浇Y(jié)構(gòu)和變升角的設(shè)計(jì) [11];同時(shí)，兩個(gè)螺旋主體天線采用同一段導(dǎo)體帶條進(jìn)行匹配。在帶條上置有兩條折痕線，兩個(gè)中心頻率匹配兩個(gè)尺寸的帶條。兩個(gè)中心頻率的饋電點(diǎn)到接地板的高度分別為[h1]和[h2]，將兩個(gè)饋電點(diǎn)選取在同一條垂直于接地板的直線上。因?yàn)閮蓚€(gè)螺旋天線主體采用截?cái)嘟Y(jié)構(gòu)和變升角相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)，另一方面螺旋主體不能交叉并且盡可能減少交疊，所以設(shè)計(jì)的過程中，饋電點(diǎn)的位置就尤為重要，選取的饋電點(diǎn)分別位于導(dǎo)體帶條的兩側(cè)。中心頻率為1 600 MHz時(shí)，[Wp]表示導(dǎo)體帶條寬度，[Lp]表示導(dǎo)體帶條長度，饋電點(diǎn)高度為[h1];中心頻率為2 492 MHz時(shí)，分別表示為[W′p]和[L′p]，饋電點(diǎn)高度為[h2]，它們的具體數(shù)值需通過仿真確定。

2 ?天線的仿真

為滿足軸向輻射模式，當(dāng)中心頻率為1 600 MHz時(shí)，選取底面半徑[R′A]=33 mm;當(dāng)中心頻率為2 492 MHz時(shí)，底面半徑[R′B]=20 mm。螺旋圈數(shù)[N=4]。在設(shè)計(jì)錐形天線底面半徑確定的基礎(chǔ)上，采用HFSS仿真軟件對天線進(jìn)行仿真，獲得不同中心頻率的兩個(gè)錐形天線升角均為[α0=]13°，[α1=]7°，頂面半徑[RA=]4 mm，[RB=]12.8 mm。

利用仿真軟件對輸入阻抗進(jìn)行匹配仿真，在中心頻率分別為1 600 MHz和2 492 MHz處，通過優(yōu)化分別得到[Wp]，[Lp]，[h1]，[h2]，[W′p]和[L′p]的取值。圖2給出了兩個(gè)饋電點(diǎn)起始位置到接地板高度[h1]，[h2]的取值的選擇，這兩個(gè)值的選取將影響天線的軸比帶寬。圖3給出了帶條寬度[Wp]、帶條長度[Lp]隨頻率的變化對阻抗的影響，它分別影響了阻抗虛部和阻抗實(shí)部。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求及上述分析得到優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖4為反射系數(shù)隨頻率變化的曲線，反射系數(shù)小于-15 dB的頻率分別覆蓋兩個(gè)頻段?？梢?，在GPS L1，GLONASS L1，BDS?2B1和BDS?1S工作頻帶范圍內(nèi)，輸入取得了良好的阻抗匹配。

圖5和圖6分別為軸比、增益隨頻率的變化規(guī)律?？梢钥闯鲈谠O(shè)計(jì)的兩個(gè)頻段內(nèi)軸比均小于3 dB;增益均高于3 dB。

3 ?結(jié) ?論

本文采用聚四氟乙烯包裹液態(tài)金屬EGaIn的結(jié)構(gòu)，采用泵抽取的方式，利用截?cái)嘈徒Y(jié)構(gòu)、變升角和長度可調(diào)的導(dǎo)體帶條設(shè)計(jì)優(yōu)化天線性能，提出一種頻率可重構(gòu)的液態(tài)金屬的錐形螺旋天線，具有體積小、可重構(gòu)和易于保密等特點(diǎn)。在多系統(tǒng)的GNSS領(lǐng)域，作為多頻帶GNSS天線具有非常廣闊的應(yīng)用空間。

注：本文通訊作者為房少軍。

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